I biocompositi sono materiali costituiti da due o più materiali distinti di cui almeno uno di derivazione naturale al fine di ottenere un nuovo materiale con prestazioni migliori rispetto ai singoli materiali costituenti. Possono essere quindi costituiti da una matrice polimerica di origine naturale o sintetica e da un rinforzo di origine naturale o sintetica. Nel migliore dei casi, nel rispetto dei dettami della Chimica verde, sono ottenuti da polimeri biodegradabili e agenti rinforzanti di origine biologica.
La storia di materiali costituiti da una matrice rinforzata con fibre naturali inizia 3000 anni fa quando venivano realizzate le case utilizzando mattoni di argilla rinforzata con paglia, ma sono presenti anche in natura come, nel caso del legno costituito da cellulosa e lignina.
Sebbene ancora oggi il composito polipropilene rinforzato con fibre di vetro costituisca il principale composito termoplastico, stanno emergendo biocompositi, utilizzati in vari settori, il cui utilizzo sta rapidamente espandendosi. La crescente valorizzazione delle risorse rinnovabili quali materie prime e la riciclabilità o biodegradabilità del prodotto alla fine vita utile richiede una transizione nell’utilizzo dei materiali derivanti dal petrolio ai biopolimeri.
Già nel 1941 Henry Ford intraprese una strada pionieristica, con grandi investimenti, sviluppò il primo prototipo di automobile detta Soybean car realizzato con fibre di canapa per realizzare alcune parti dell’automobile. Tuttavia, a causa della guerra in atto e delle limitazioni tecniche ed economiche, il progetto fu abbandonato e l’auto non fu prodotta in serie.
Oltre ai polimeri ottenuti da fonti non rinnovabili la ricerca si è concentrata per utilizzare polimeri naturali per la produzione di biocompositi. Tra i polimeri naturali utilizzati come matrice vi sono l’amido, la cellulosa, il chitosano, la gelatina, il collagene, alginati, fibrina e polimeri derivanti dall’acido ialuronico, poliidrossialcanoati e acido polilattico .
Fibre nei biocompositi
Le fibre naturali sono riciclabili e biodegradabili e ciò ha portato a un loro maggiore utilizzo nelle applicazioni industriali. Il continuo sviluppo della Chimica verde, così come l’orientamento di sostituire le fibre sintetiche con l’utilizzo di fibre naturali, hanno ottenuto una considerazione sempre più degna di nota. Esse infatti assorbono biossido di carbonio durante la crescita, il che si traduce in una riduzione della loro impronta di carbonio rispetto alle fibre a base di petrolio.
Le fibre naturali possono essere classificate sulla base della loro origine in fibre di origine animale come piume di pollo, lana e seta e fibre di origine vegetale come canapa, sisal, kenaf, iuta, lino, fibra di cocco, banana, bambù, legno riciclato, carta di recupero, sottoprodotti agricoli o fibre di cellulosa rigenerata come il rayon.
Gli studi effettuati riportano che incorporando il 30% di fibre di cotone in una matrice di polipropilene, l’impronta di carbonio è stata ridotta del 3%, che aumenta al 18% per le fibre di iuta e kenaf. Le fibre naturali, che, a seconda della fonte hanno proprietà diverse, determinano le caratteristiche meccaniche dei biocompositi.
Lo svantaggio delle fibre naturali è la loro idrofilia che riduce le caratteristiche meccaniche dei bicompositi risultanti. Inoltre lo scarso legame interfacciale tra fibra e polimero dà origine al fenomeno dell’estrazione delle fibre che ne diminuisce ulteriormente le proprietà. Un altro svantaggio delle fibre naturali è la bassa temperatura di degradazione termica che si aggira intorno ai 200°C
Questi svantaggi, che includono idrofilia, scarsa adesione e instabilità termica, possono essere superati sottoponendo le fibre a trattamenti fisici e chimici come, ad esempio, il trattamento con una soluzione alcalina che è in grado di rimuove cere, emicellulosa e oli, aumentando così la ruvidità della superficie esterna delle fibre e le rende le fibre termicamente stabili con conseguente miglioramento delle caratteristiche meccaniche dei biocompositi risultanti.
Usi
Per le loro caratteristiche e per il loro ridotto impatto ambientale i biocompositi sono ampiamente utilizzati per diverse applicazioni nel settore aerospaziale, automobilistico, degli imballaggi, elettronico e civile. Tra le proprietà dei biocompositi vi sono proprietà meccaniche specifiche relativamente elevate, isolamento termico, buone proprietà di smorzamento, elevata sicurezza sanitaria, buona resistenza alla fatica, all’abrasione e alla corrosione, disponibilità, elevato isolamento acustico, bassa densità, minore energia necessaria alla loro produzione e leggerezza.
Per le applicazioni ingegneristiche ad alte prestazioni, sono utilizzati biocompositi a base di biofibre realizzati con polimeri termoplastici come, ad esempio, il polivinilcloruro (PVC), polietilene (PE), il polietere-etere chetone (PEEK), il polipropilene (PP), l’acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) e il nylon.
Oltre ad applicazioni nel campo automobilistico che rendono le autovetture più leggere con maggiore resistenza al calore e agli urti esterni, i biocompositi sono usati nelle applicazioni marine grazie alle loro buone proprietà meccaniche e alla biodegradabilità.
I biocompositi sono studiati per applicazioni ortopediche, tra cui la riparazione di fratture ossee, la sostituzione totale dell’articolazione e la riparazione di tessuti connettivi come tendini e legamenti sia per la loro biodegradabilità che per le proprietà paragonabili ai materiali esistenti